37 The natural cycle of matter: geologic and biotic

37 Естественный цикл материи: геологический и биотический

Круговорот веществ – циклическое, закономерное, многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере. В биосфере наряду с естественным протекает антропогенный круговорот. Естественный включает геологический и биотический круговороты. Геологический круговорот или большой (биосферный) круговорот представляет механический перенос минеральных веществ в виде растворов и в виде механических осадков при поднятии и опускании крупных участков суши. С помощью этого безостановочного планетарного процесса, неравномерно протекающего во времени и пространстве, вещество, энергия и информация перераспределяются в экосистемы. С появлением живого вещества на основе геологического круговорота возник круговорот органического вещества – биологический круговорот или малый (биотический, биогеоценотический). В малом круговороте самым важным является синтез и разрушение органического вещества на уровне экосистем. Биологический круговорот, в противоположность геологическому, обладает ничтожной энергией. На создание органического вещества, как известно, затрачивается всего 0,1-0,2 % всей поступающей на Землю солнечной энергии. Несмотря на это, энергия, вовлеченная в биологический круговорот, производит огромную работу по созданию первичной продукции. Биогенная миграция веществ протекает во всех экосистемах разного уровня иерархии – от биогеоценоза до биосферы.

Благодаря круговоротам вещества и энергии потери вещества в биосфере минимальны в целом, информация теряется с гибелью видов и необратимыми генетическими перестройками, энергетические циклы очень слабы – преобладает поток энергии от продуцентов-растений через консументы к редуцентам с последующим выносом энергии в околоземное и космическое пространство. Степень замкнутости вещества весьма значительна. По фосфору замкнутость биотического круговорота глобально составляет около 98%, в тайге – 99,5%.

Все химические элементы участвуют и в большом, и в малом круговороте веществ, перемещаясь из неживой среды в живые организмы и обратно, образуя биогеохимические циклы. Активной частью биогеохимических циклов являются живые организмы, для которых биогенные элементы являются жизненно необходимыми. Ведь именно из углерода, кислорода, углекислого газа, азота, фосфора, серы, воды и другие образуются органические соединения, составляющие тело живых организмов.

Биогеохимические циклы находятся в состоянии динамического равновесия, изменение хода какого-либо из них влечет за собой бесконечные цепочки подчас необратимых явлений. В каждом круговороте различают две части или «фонда». Резервный фонд включает большую массу движущихся веществ, в основном небиологических компонентов. Подвижный, или обменный фонд – по характеру более активный, но менее продолжительный. Его отличительной особенностью является быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением. Обменный фонд образуется за счет веществ, которые возвращаются в круговорот либо за счет первичной экскреции (лат. экскретум – выделение) животными, либо при разложении детрита микроорганизмами.

38 Man-made material cycle, the resource cycle

Искусственный материальный цикл, ресурсный цикл

Движущей силой антропогенного круговорота является деятельность человека. Данный круговорот включает две составляющие:биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей. Антропогенный круговорот в отличие и геологического и биологического не является замкнутым. Эта незамкнутость становится причиной истощения природных ресурсов и загрязнения природной среды.

Концепция ресурсных циклов разработана известным географом И.В.Комаром и основана на идее круговорота веществ в природе, когда в ходе естественных преобразований природные элементы переходят из одного состояния в другое, от одного компонента природы к другому, по принципу замкнутого безотходного цикла. С возникновением человечества складывается общественное (хозяйственное) звено круговорота веществ, которое стало взаимодействовать с природным круговоротом, оказывая на него свое влияние. Это влияние состояло в том, что из природного оборота изымалась большая. масса природного вещества, а обратно в него возвращалась масса входов, которые после технической переработки не могли ассимилироваться природой, постепенно все больше и больше загрязняя ее и нарушая природный оборот вещества.

Хозяйственное звено круговорота веществаполучило название ресурсного цикла , под которым понимается совокупность превращений и пространственных перемещений вещества природы в процессе его освоения, добычи, переработки, потребления и конечного возвращения в природу после использования. Этот цикл имеет незамкнутых характер, т.е. имеет большую массу отходов на всех этапах добычи и использования природного вещества. Выделено шесть основных видов:

- цикл энергоресурсов и получения энергии;

- цикл металлических ресурсов и получения металлов;

- цикл неметаллических минеральных ресурсов и получения химических, строительных, технических материалов;

- цикл лесных ресурсов и получения продуктов лесного хозяйства и древесных материалов;

- цикл земельно-климатических ресурсов и получение сельскохозяйственных продуктов и сырья;

- цикл ресурсов дикой фауны и флоры с получением продукции промыслов - охотничьих, рыбных, собирательства полезных растений .

Под ресурсным циклом понимается совокупность превращений и пространственных перемещений (добыча, переработка, транспортировка, хранение, погрузочно-разгрузочные операции ...) определенного вещества, изъятого из природной среды и выступающего в виде природного компонента, на пути использования его человеком до выхода вновь в природную среду.

Ресурсный цикл , несмотря на общую схему возникновения (всё из природы) и окончания (всё в природу), отличается от биогенного круговорота веществ (это непрерывный процесс создания и деструкции органического вещества). Отличительные характеристики в табл.1

В ресурсном цикле выделяют два типа стадий. Природный компонент, двигаясь по ресурсному циклу , неоднократно транспортируется, перерабатывается, складируется и хранится (распределительные стадии) в то время, как его добыча, нахождение в эксплуатации в составе конечной продукции и послеэксплуатационное состояние (в составе отходов) - одноразово (компактные стадии). Таким образом, РЦ можно разбить на 6 отдельных естественных стадий.

Кроме того, в зависимости от глубины переработки выделяются стадии:

первого порядка - первичная переработка природных компонентов, связанная в основном с добычей (заготовкой);

второго порядка - переработка природных компонентов, приводящая к созданию « начального товарного вида» ;

третьего порядка - процесс переработки « начального товарного вида» природных компонентов до выпуска конечной, готовой продукции.

39 Water cycle: components, cycle time, exchange and reserve funds, the importance for the biosphere, human disturbance. 39 Круговорот воды: компоненты, время цикла, обменные и резервные фонды, важность для биосферы, нарушение здоровья человека

Круговорот воды – это циркуляция воды на Земле, происходящая по условной схеме: выпадение атмосферных осадков, поверхностный и подземный сток, инфильтрация, испарение, перенос водяного пара в атмосфере, его конденсация, повторное выпадение атмосферных осадков. На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около 1/3 всей поступающей на Землю солнечной энергии. В процессе круговорота вода может переходить из одного агрегатного состояния в другое. Отличие циклов углерода и азота от круговорота воды состоит в том, что в экосистемах углерод и азот накапливаются и связываются, а вода проходит через экосистемы почти без потерь. Биосфера ежегодно использует на формирование биомассы 1% воды, выпавшей в виде осадков. Вода составляет значительную часть живых существ: в теле человека – по весу 60%, а в растительном организме достигает 95%. Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят 4 процесса:

• перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать 25% общей суммы осадков, это физическое испарение.

• транспирация – биологическое испарение воды растением. Это не дождевая вода, в вода экосистемная, заключенная в растении. Растения, потребляя около 40% общего количества осадков, играют главную роль в круговороте воды.

• инфильтрация – просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в почве, тем сильнее, чем значительнее коллоидальный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя.

• сток. В этой фазе круговорота избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.

Антропогенные воздействия на природу (загрязнение поверхности планеты, спрямление русел, изменение климата, растительности, структуры почв, создание водохранилищ) заметно изменяют процесс круговорота воды. В промышленных районах обилие мельчайших пылевых частиц ускоряет конденсацию водяных паров и здесь выпадает больше осадков. Уничтожение растительного покрова, который улавливает и удерживает стекающую воду, ведет к усилению стока. В урбанизированной среде асфальтовые покрытия дорог и городских тротуаров нагреваются сильнее, в городе становится суше и температура повышается, в результате зеленые насаждения больше испаряют воды. Человек часто препятствует стоку воды, устраивая плотины, каналы, или изменяет направление стока рек. Применение пресной воды человеком для удовлетворения его бытовых нужд, потребностей промышленности и сельского хозяйства приводит к истощению и загрязнению водных объектов.